一种混凝土细观干缩开裂模拟方法技术

本发明专利技术涉及土木工程技术领域，尤其涉及一种混凝土细观干缩开裂模拟方法。本发明专利技术基于光滑流体动力学SPH理论框架，提出混凝土随机骨料生成算法及区域搜索法，实现了SPH框架下的混凝土细观结构的生成；推导了湿度传导方程的SPH核近似方程，可以实现SPH方法的湿度扩展模拟；定义了湿度梯度与混凝土干缩应力之间的关系，引入断裂处理方式，嵌入SPH本构方程中，实现了混凝土湿度

【技术实现步骤摘要】
一种混凝土细观干缩开裂模拟方法


[0001]本专利技术涉及土木工程
，尤其涉及一种混凝土细观干缩开裂模拟方法。

技术介绍

[0002]混凝土在成型硬化后，由于混凝土内部的孔隙失水，收缩被约束而形成了混凝土的表面干缩裂缝。混凝土结构一旦产生裂缝，就会失去抵御有害介质侵蚀的第一道防线，进而加剧钢筋锈蚀和混凝土的碳化、冻融破坏等程度。鉴于混凝土的干缩裂缝威胁结构物的耐久性和使用寿命，影响结构物的功能使用，甚至降低承载力致使结构失效，因此，对混凝土干缩裂缝形成规律的研究无论是对混凝土干缩开裂机理的认识及混凝土结构的施工与维护具有重要的意义。
[0003]数值模拟是反映混凝土干缩破坏力学机制的重要手段，但是传统有限单元法在处理裂缝这种不连续特征时需要对网格进行重剖分，计算量较大。对于复杂裂隙网络容易导致网格极度扭曲，从而影响计算精度；而传统离散单元法具有较多无实际物理意义的细观参数，在数值模拟之前需要进行复杂的参数标定，较难应用于工程实际。因此，目前亟需发展一种混凝土干缩开裂的数值模拟新手段，以准确反映混凝土的干缩开裂特征。
[0004]光滑粒子流体动力学法(SPH)是一种纯拉格朗日无网格方法，在模拟材料大变形、不连续问题中具有其独特的优势：首先，相比于有限元方法(FEM)，SPH克服了传统FEM中在处理裂纹等不连续特征中的网格重剖分问题；其次，相比于离散单元法(DEM)而言，其力学参数均由偏微分方程严格推导而来，物理意义明确，无需复杂的参数标定。目前，SPH方法在岩石断裂力学中具有一定的应用，但是在混凝土细观开裂数值模拟中的应用尚未见报道，相应的处理方式还有待改进。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了解决现有技术中的问题，而提出的一种混凝土干缩开裂数值模拟方法，解决了传统有限元及离散元在模拟混凝土细观干缩开裂过程中存在的网格剖分及参数标定等问题，同时解决了混凝土细观结构的SPH生成；SPH方法在处理混凝土细观干缩开裂中裂纹扩展、湿度扩散及干缩应力的SPH表达的问题。
[0006]本专利技术为实现上述专利技术目的，采取的技术方案如下：
[0007]一种混凝土细观干缩开裂模拟方法，包括以下步骤：
[0008]步骤S1、确定混凝土细观模型的初始生成参数；所述步骤S1包括以下步骤：
[0009]步骤S1.1、确定混凝土的初始参数生成，包括混凝土试样的长度x
specimen
，宽度y
specimen
，生成骨料的目标百分数P
agg
，最大骨料粒径D
max
，最小骨料粒径D
min
；
[0010]步骤S1.2、生成区间为(0～1)的随机数ran1，ran2，ran3；首先确定临时骨料的三个特征参数：临时骨料圆心的x坐标x
temp
，临时骨料圆心的y坐标y
temp
，以及临时骨料的半径r
temp
；
[0011]步骤S1.3、若为生成的第一个骨料，则直接记录此时的骨料的三个特征参数，x1＝
x
temp
，y1＝y
temp
，r1＝r
temp
；若不是生成的第一个骨料，则判断新生成骨料是否与已生成骨料重叠；遍历所有已经生成的骨料，判断新生成骨料与已生成骨料的圆心距离是否大于半径之和，若不满足，回到步骤S1.2，若满足，记录x
n
＝x
temp
，y
n
＝y
temp
，r
n
＝r
temp
；
[0012]步骤S1.4、累加所有生成的骨料面积，计算已经生成的骨料百分比，即累加的骨料面积与混凝土试样的面积之比；若已经生成的骨料百分比小于P
agg
，则回到步骤S1.2，若满足，则生成结束；
[0013]步骤S2、利用区域搜索生成混凝土的细观结构；所述步骤S2包括以下步骤：
[0014]步骤S2.1、在规定正方形区域内生成规则分布的粒子，该粒子为基础粒子，所生成的粒子须覆盖目标模型；
[0015]步骤S2.2、将初始模型离散成为搜索质点，所生成的搜索质点均匀分布，且每个搜索质点间距要小于步骤S2.1生成的基础粒子；
[0016]步骤S2.3、对每一个搜索质点赋予搜索半径，搜索半径设置为1.1倍基础粒子间距；对所有搜索质点进行循环，如果基础粒子覆盖在搜索半径以内，则保留该基础粒子为模型粒子，如果基础粒子未被覆盖在搜索半径以内，则删除该基础粒子；
[0017]步骤S2.4、导入步骤S1生成的骨料参数，把所生成的圆形骨料离散成为搜索质点，所生成的搜索质点均匀分布，且每个搜索质点间距要小于步骤S2.1生成的基础粒子；
[0018]步骤S2.5、对每一个搜索质点赋予搜索半径，搜索半径设置为1.1倍模型粒子间距；对所有搜索质点进行循环，如果模型粒子覆盖在骨料圆内部，则赋予粒子为材料一属性粒子；赋予骨料圆外围的一圈的模型粒子为材料二属性粒子；其他的模型粒子为材料三属性粒子，所述材料三属性粒子为既不属于材料一属性也不属于材料二属性的粒子；
[0019]步骤S3、对模型进行材料属性、边界条件赋予，材料属性包括材料一至材料三属性粒子的弹性模量，泊松比，抗拉强度，内摩擦角；边界条件包括相对湿度边界、应力边界、位移边界；
[0020]步骤S4、进行单个时间步内的SPH关键参数计算；所述步骤S4包括以下步骤：
[0021]步骤S4.1、进行模型粒子间的配对计算，粒子配对采用链表搜索法；
[0022]步骤S4.2、进行模型粒子的密度变化率计算；
[0023]步骤S4.3、计算模型粒子的湿度变化率计算；
[0024]步骤S4.4、进行模型粒子的内力参量计算；所述步骤S4.4包括以下步骤：
[0025]步骤S4.4.1、计算模型粒子的干缩应变及干缩应力；
[0026]步骤S4.4.2、计算考虑干缩应力的模型粒子的总应力张量；
[0027]步骤S4.4.3、计算模型粒子的速率变化率；
[0028]步骤S4.4.4、确定模型粒子的断裂状态；
[0029]步骤S5、采用“蛙跳算法”进行时间积分，得到SPH粒子上每一个时间步的特征参量值；
[0030]步骤S6、判断计算步是否到达最大计算步，若未到达最大计算步，重复步骤S4至步骤S6；若达到最大计算步，则终止计算。
[0031]步骤S1中骨料的三个特征参数的表达式为：
[0032]x
temp
＝x1·
ran1
[0033]y
temp
＝y1·
ran2
[0034]r
temp
＝(D
min
+(D
max
‑
D
min
)
·
ran3)/本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混凝土细观干缩开裂模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、确定混凝土细观模型的初始生成参数；所述步骤S1包括以下步骤：步骤S1.1、确定混凝土的初始参数生成，包括混凝土试样的长度x
specimen
，宽度y
specimen
，生成骨料的目标百分数P
agg
，最大骨料粒径D
max
，最小骨料粒径D
min
；步骤S1.2、生成区间为(0～1)的随机数ran1，ran2，ran3；首先确定临时骨料的三个特征参数：临时骨料圆心的x坐标x
temp
，临时骨料圆心的y坐标y
temp
，以及临时骨料的半径r
temp
；步骤S1.3、若为生成的第一个骨料，则直接记录此时的骨料的三个特征参数，x1＝x
temp
，y1＝y
temp
，r1＝r
temp
；若不是生成的第一个骨料，则判断新生成骨料是否与已生成骨料重叠；遍历所有已经生成的骨料，判断新生成骨料与已生成骨料的圆心距离是否大于半径之和，若不满足，回到步骤S1.2，若满足，记录x
n
＝x
temp
，y
n
＝y
temp
，r
n
＝r
temp
；步骤S1.4、累加所有生成的骨料面积，计算已经生成的骨料百分比，即累加的骨料面积与混凝土试样的面积之比；若已经生成的骨料百分比小于P
agg
，则回到步骤S1.2，若满足，则生成结束；步骤S2、利用区域搜索生成混凝土的细观结构；所述步骤S2包括以下步骤：步骤S2.1、在规定正方形区域内生成规则分布的粒子，该粒子为基础粒子，所生成的粒子须覆盖目标模型；步骤S2.2、将初始模型离散成为搜索质点，所生成的搜索质点均匀分布，且每个搜索质点间距要小于步骤S2.1生成的基础粒子；步骤S2.3、对每一个搜索质点赋予搜索半径，搜索半径设置为1.1倍基础粒子间距；对所有搜索质点进行循环，如果基础粒子覆盖在搜索半径以内，则保留该基础粒子为模型粒子，如果基础粒子未被覆盖在搜索半径以内，则删除该基础粒子；步骤S2.4、导入步骤S1生成的骨料参数，把所生成的圆形骨料离散成为搜索质点，所生成的搜索质点均匀分布，且每个搜索质点间距要小于步骤S2.1生成的基础粒子；步骤S2.5、对每一个搜索质点赋予搜索半径，搜索半径设置为1.1倍模型粒子间距；对所有搜索质点进行循环，如果模型粒子覆盖在骨料圆内部，则赋予粒子为材料一属性粒子；赋予骨料圆外围的一圈的模型粒子为材料二属性粒子；其他的模型粒子为材料三属性粒子，所述材料三属性粒子为既不属于材料一属性也不属于材料二属性的粒子；步骤S3、对模型进行材料属性、边界条件赋予，材料属性包括材料一至材料三属性粒子的弹性模量，泊松比，抗拉强度，内摩擦角；边界条件包括相对湿度边界、应力边界、位移边界；步骤S4、进行单个时间步内的SPH关键参数计算；所述步骤S4包括以下步骤：步骤S4.1、进行模型粒子间的配对计算，粒子配对采用链表搜索法；步骤S4.2、进行模型粒子的密度变化率计算；步骤S4.3、计算模型粒子的湿度变化率计算；步骤S4.4、进行模型粒子的内力参量计算；所述步骤S4.4包括以下步骤：步骤S4.4.1、计算模型粒子的干缩应变及干缩应力；步骤S4.4.2、计算考虑干缩应力的模型粒子的总应力张量；步骤S4.4.3、计算模型粒子的速率变化率；步骤S4.4.4、确定模型粒子的断裂状态；
步骤S5、采用“蛙跳算法”进行时间积分，得到SPH粒子上每一个时间步的特征参量值；步骤S6、判断计算步是否到达最大计算步，若未到达最大计算步，重复步骤S4至步骤S6；若达到最大计算步，则终止计算。2.根据权利要求1所述的一种混凝土细观干缩开裂模拟方法，其特征在于，所述步骤S1中骨料的三个特征参数的表达式为：x
temp
＝x1·
ran1y
temp
＝y1·
ran2r
temp
＝(D
min
+(D
max
‑
D
min
)
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【专利技术属性】
技术研发人员：郁舒阳，孙召花，任旭华，张继勋，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：